41 Сущность химического процесса.

Учение о химическом процессе характеризуется взаимодействием физики, химии и биологии и базируется на идеях химической термодинамики и кинетики, которые обычно рассматриваются в физической химии.

Условия среды на Земле таковы, что молекулы непрерывно разрушаются и снова образуются. Если бы температура Земли была значительно выше, например как температура поверхности Солнца, то многие молекулы никогда бы не образовались из-за слишком сильного теплового возбуждения (атомы не могли бы оставаться друг возле друга), а если бы температура Земли была гораздо ниже, молекулы, соединяясь, образовали бы твердые тела и кристаллы и никакие изменения не происходили. Температура на Земле такова, что энергии достаточно для разрушения некоторых молекул, однако количество энергии не слишком велико, благодаря чему большинство соединений может существовать в течение какого-то времени. Создание и разрушение молекул сообщают постоянные изменения окружающей среде и создают тем самым возможность жизни.

Химические реакции, производящие энергию, всегда начинаются с превращения молекул со слабыми связями в молекулы с прочными связями; при этом высвобождается разница в энергиях сильной и слабой связи.

Принципы управления химическим процессом

Основная проблема в учении о химических процессах связана с тем, что многие химические реакции были и остаются трудноуправляемыми. Одни из них пока не удается осуществить, хотя в принципе они выполнимы. Другие сложно остановить, например реакцию горения и взрывы. Трудности управления третьими обусловлены тем, что в их процессе самопроизвольно создается множество непредвиденных ответвлений с образованием побочных продуктов.

Суть проблемы заключается в следующем. Каждая химическая реакция обратима и представляет собой перераспределение химических связей. Обратимость служит основанием равновесия между прямой и обратной реакциями. Однако на практике равновесие смещается в ту или иную сторону в зависимости от природы реагентов и условий процесса. Реакции, в которых равновесие смещено «вправо» - в сторону образования целевых продуктов, обычно не требуют особых средств управления.

Однако немало реакций происходит со смещением равновесия «влево». Для их осуществления требуется особое термодинамическое управление. Такова, в частности, реакция синтеза аммиака: N2 + 3Н2 ↔ NH3.

В настоящее время решение проблемы управления химическими процессами продвинулось далеко вперед. Среди основных методов управления ими выделяют термодинамические и кинетические (в первую очередь каталитические). Основы теории термодинамических методов управления химическими процессами были заложены в конце XIX в. в рамках химической термодинамики, которая изучает химические превращения на основе представления о термодинамическом равновесии в макроскопических системах. Химическая термодинамика включает учения о химическом равновесии, растворах, фазовых переходах и процессах на границе раздела фаз. Кинетические (в первую очередь каталитические) методы дают возможность влиять и на скорость химических процессов. Эти методы активно развиваются в рамках химической кинетики - учения о скоростях и механизмах химических реакций, надежной основы создания новых и совершенствования существующих процессов химической технологии: горения, гетерогенного катализа, электрохимических процессов и др. К наиболее важным кинетическим методам относится ускорение химической реакции в присутствии катализаторов — катализ.Различают гомогенный катализ, когда исходные реагенты и катализатор находятся в одной фазе (газовой или жидкой), и гетерогенный, когда газообразные или жидкие реагенты взаимодействуют на поверхности твердого катализатора.